新型老人助力爬樓裝置設計-電動爬樓梯輪椅含9張CAD圖

新型老人助力爬樓裝置設計-電動爬樓梯輪椅含9張CAD圖,新型,老人,白叟,助力,裝置,設計,電動,樓梯,輪椅,cad 任 務 書 一、設計題目 新型老人助力爬樓裝置設計 二、主要任務及要求 1）主要任務： 新型老人助力爬樓裝置設計 2）根據(jù)主要任務，通過比較、分析，確定最終方案，針對解決方案進行設計計算，完成機械結構（制造工藝）和控制系統(tǒng)的設計過程。 3）說明書中要求進行分析、評價方案對社會、健康、安全、法律和文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應承擔的責任。 4）能夠體現(xiàn)機械、電氣、信息等多學科背景，體現(xiàn)團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用。 5）圖紙規(guī)范、準確。 三、上交材料 (1) 系統(tǒng)方案圖及相關圖紙（折合1.5張A0圖紙）； (2) 課程設計說明書(包含方案設計、主要部件的設計計算、根據(jù)任務要求進行的方案相關分析等內(nèi)容，8000字左右) 四、指導教師評語 項目 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 滿分 得分 設計解決方案 方案合理新穎，計算準確，圖紙表達規(guī)范 方案合理，計算比較準確，圖紙比較規(guī)范 方案一般，計算基本準確，圖紙基本規(guī)范 方案基本合理，計算有小部分錯誤，圖紙欠規(guī)范 方案不合理，計算錯誤較多，圖紙不規(guī)范 40 工程與社會 方案與社會相互影響的分析、評價合理，內(nèi)容全面、準確 方案與社會相互影響的分析、評價比較合理，內(nèi)容全面，基本準確 方案與社會相互影響的分析、評價基本合理，內(nèi)容一般，準確性一般 方案與社會相互影響的分析、評價一般，內(nèi)容一般，有小錯誤 方案與社會相互影響的分析、評價缺失或不合理，內(nèi)容不全 20 個人和團隊 多學科背景下團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用體現(xiàn)明顯 多學科背景下團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用體現(xiàn)比較明顯 多學科背景下團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用體現(xiàn)中等 多學科背景下團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用體現(xiàn)一般 多學科背景下團隊的有效溝通、合作共事及個體的作用體現(xiàn)較差 10 答辯 自述及回答問題準確流利 自述及回答問題比較準確 自述及回答問題基本準確 自述及回答問題欠準確 自述及回答錯誤 30 總分 100 綜合評定成績： □優(yōu)秀 □良好 □中等 □及格 □不及格 指導教師： 日 期： 摘 要 當前中國社會人口老齡化的問題越來越突出。本文主要考慮到老年人人群以及殘疾人人群行動不便，還有部分老式樓房沒有電梯的特點，設計具有爬樓梯功能的電動輪椅，從而提高他們的生活質量。 本次設計主要針對電動爬樓梯輪椅進行設計。首先，通過對電動爬樓梯輪椅的結構及運動原理進行分析，并在此基礎上提出總體設計方案，本設計決定采用星輪式的爬樓輪椅。其次是對輪椅主要結構參數(shù)進行設計計算以及對各主要零部件進行設計及校核，主要包括對輪椅座椅骨架的設計，座椅調(diào)平機構的設計以及輪椅傳動機構的設計。最后，通過制圖軟件繪制電動爬樓梯輪椅的裝配圖及主要部件零件圖。 本電動爬樓梯輪椅在普通輪椅的基礎上安裝了星輪式爬樓裝置、座椅調(diào)平機構、電機及其相關控制系統(tǒng)。這樣可以方便使用人群，減少他們出行的困難，提高他們的生活質量。 在中國國民經(jīng)濟發(fā)展中，電動爬樓梯輪椅的需求逐年增加，市場潛力巨大，電動爬樓輪椅行業(yè)發(fā)展機遇廣闊，生產(chǎn)前景良好。 關鍵詞：行星輪 座椅調(diào)平機構 控制系統(tǒng) 輪椅  Abstract The current problem of aging population in China is becoming more and more prominent. This article mainly takes into account the elderly people and the disabled population mobility, there are some old buildings without the characteristics of the elevator, designed to climb the stairs function of electric wheelchairs, thereby enhancing their quality of life. This design is mainly for electric climbing stairs wheelchair design. First of all, through the analysis of the structure and movement principle of the electric climbing staircase wheelchair, and on this basis, put forward the overall design plan, the design decided to use the wheel-type climbing wheelchair. Followed by the design and calculation of the main structural parameters of the wheelchair and the design and verification of the major components, including the design of the wheelchair seat frame, seat leveling mechanism design and wheelchair transmission mechanism design. Finally, through the mapping software to draw electric climbing wheelchair assembly diagram and the main parts of the assembly map. The electric climbing staircase wheelchair in the ordinary wheelchair on the basis of the installation of a star-type climbing equipment, seat leveling mechanism, motor and its related control system. This makes it easy to use the crowd, reduce the difficulty of their travel, and improve their quality of life. In China's national economic development, the demand for electric climbing stair wheelchair increased year by year, the market has great potential, electric climbing wheelchair industry development opportunities are vast, the production prospects are good. Keywords： planet wheel seat leveling mechanism control system wheelchair  目 錄 摘要 Ⅲ Abstract Ⅳ 1 緒論 1 2 機械結構總體方案設計 2 2.1 爬樓機構的選擇 2 2.2 爬樓輪椅總體結構概述 3 2.3 輪椅座椅骨架設計 4 2.3.1.座椅寬度 5 2.3.2.座椅深度 5 2.3.3.座椅靠背的高和寬 5 2.3.4.座椅靠背傾角 5 2.3.5.扶手尺寸 5 2.3.6.腳踏板高度 5 2.4 星輪爬升機構設計 6 2.5 座椅調(diào)平機構的設計 9 3 電氣系統(tǒng)總體方案設計 12 3.1 電機的選擇 12 3.2 蓄電池選擇 16 3.3 控制系統(tǒng)設計 17 3.3.1 電機驅動原理 17 3.3.2 電機調(diào)速原理 18 3.3.3 PLC控制系統(tǒng) 19 3.3.4 PLC相關參數(shù) 21 4.傳動部件的設計 23 4.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算 23 4.2 齒輪傳動的設計 24 4.3傳動軸的設計 28 4.3.1 輸出軸的設計 28 4.3.2 車輪軸的設計 31 參考文獻 36 1 緒論 隨著社會發(fā)展和人類文明的進步，特別是城市快速擴張和建設，人口老齡化問題日益嚴重，殘疾人人數(shù)不斷增加，對輔助步行工具的需求也日益增加。而目前我國高層建筑云集，天橋越來越多，公園的臺階，沒有電梯的小區(qū)樓房臺階，這些都困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘疾人人群唯一的出行工具，卻受到越來越多的限制，對于這些臺階及障礙，此時傳統(tǒng)的輪椅已經(jīng)無法滿足大多數(shù)人的需求。而隨著科學技術的發(fā)展，我們應改進輪椅，使其功能更加完善，以此來適應現(xiàn)代社會環(huán)境。 近年來，國內(nèi)外許多大學，公司和研究機構對爬樓裝置進行了深入研究，提出了各種產(chǎn)品或解決方案。一般來說，根據(jù)不同的爬樓機構，可分為以下幾種機構：一種是采用星輪式爬樓機構，星輪不僅圍繞著自己的軸線旋轉，而且還共同圍繞一根旋轉軸旋轉；一種是履帶式爬樓機構；還有腿足式爬樓機構和復合式爬樓機構?，F(xiàn)在，中國輪椅行業(yè)發(fā)展緩慢，在國內(nèi)可以爬樓梯的多功能輪椅，還沒有成熟的產(chǎn)品。但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人民生活水平的提高，考慮到老年人和殘疾人的出行便利需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅將具有重大的現(xiàn)實意義。 2 機械結構總體方案設計 2.1 爬樓機構的選擇 作為爬樓梯電動輪椅，其驅動機構主要由兩部分組成，其中一部分是爬樓梯機構，另一部分是平地行駛機構。本課題設計工作的重點在于爬樓機構的設計，平地行駛機構的設計以及如何將爬樓梯功能與普通電動輪椅的功能相結合。 通過對國內(nèi)外爬樓梯裝置的分析研究，大致將爬升機構分為星輪式、履帶式、腿足式及復合式。通過比較它們的優(yōu)缺點，得出下表2.1。 表2.1 典型爬升機構性能對照表 爬升機構 星輪式 履帶式 腿足式 臺階適應能力 一般 強 強 穩(wěn)定性 一般 強 差 控制難易度 簡單 一般 困難 機構復雜程度 簡單 一般 復雜 行走阻力 小 大 大 對臺階有無損傷 無 有 無 噪音 小 大 小 靈活程度 較好 一般 好 價格 低 中 高 通過對比以上各種爬升機構的優(yōu)缺點，考慮到控制的難易程度、使用的安全性、運動的靈活性等，最終確定采用星輪機構作為爬升機構。 該爬樓機構的主要優(yōu)點有： （1）平穩(wěn)的行駛能力。輪椅在地面行駛時，由于其結構的特點，任何時候都有六個小輪與地面接觸，利用星輪的定軸輪系來傳遞動力，使小輪快速地向前或向后。當面臨障礙物時，車輪變成行星輪系進行翻轉向前推進。 （2）可靠的爬樓梯能力。當輪椅上下樓梯時，電機控制三個星輪繞中心軸旋轉，同時行星齒輪減速器和蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使控制動作得到準確保證。這一特點對于控制輪椅爬樓梯特別重要。 （3）控制方式易于實現(xiàn)。任意時刻輪椅左側和右側輪組的輪子速度相同，從而可以精確控制輪椅的運動。 （4）通過電機的調(diào)速控制器來實現(xiàn)輪椅的轉彎，向前或向后直線前進，爬坡，爬樓等功能。轉彎中所需的半徑即為車身寬度。 2.2 爬樓輪椅總體結構概述 該輪椅的總體結構如圖2.1所示，我在其上做了改進。本課題電動爬樓輪椅主要由爬樓機構（星輪式機構）、輪椅框架、座椅、傳動機構、座椅調(diào)平機構以及轉向機構組成。 圖2.1 星輪式爬樓輪椅結構簡圖 （1）爬樓機構：本輪椅采用一組星輪式爬樓機構，行星輪左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉和自轉實現(xiàn)平地行駛與爬樓功能的轉換。 （2）輪椅框架：輪椅框架是整個輪椅的基礎，應結合輪椅整體布局的要求進行設計，同時輪椅框架還應具有足夠的強度和剛度，確保輪椅在各種復雜路況下安全行駛。輪椅框架的質量應盡可能小，盡量降低輪椅總體的重心，這樣可以使輪椅行駛起來更穩(wěn)定。 （3）座椅：輪椅座椅應該使乘坐者感覺舒適，所以這個設計應該充分考慮到用戶的具體身體狀況。 （4）傳動機構：采用電機接齒輪的傳動方式，使電機的傳動力可以有效地傳遞到驅動輪椅運動的行星輪機構上，從而驅動輪椅前進。 （5）座椅調(diào)平機構：設計一個滾道滑座調(diào)平機構。主要由圓弧形軌道和滾軸組成。滑軌通過焊接固定在輪椅底座上，滾軸與輪椅座椅底部的托架采用螺紋連接。其軸端裝有滾動軸承，使其可以在滑軌中滑動以實現(xiàn)座椅的調(diào)平。 （6）轉向機構：鑒于車輪數(shù)量的設計較多，如果直接使用前輪和后輪都是行星輪的形式，那么就有8個輪子與地面接觸，那就必須同時轉動8個輪子才能轉向，所需的轉向力就會很大，導致轉向困難，同時其行走阻力也很大。為了解決這一困難，我把輪椅前邊的行星輪改成了2個轉向輪，這樣一來就同時有6個輪子著地，減小了轉向力及行走阻力。 2.3 輪椅座椅骨架設計 電動輪椅主體骨架包括電動輪椅主體和支撐結構，承載著輪椅重量和乘坐者的重量，電動輪椅所有部件必須安裝在輪椅主體骨架上。 輪椅座椅的設計應考慮到電機及傳動機構的布置，為傳動機構留出足夠的空間，使輪椅的重心合理分布。輪椅座椅尺寸要符合人體坐姿尺寸，讓乘坐者感到舒適，具體人體坐姿尺寸見下表。 表2.2 坐姿人體尺寸 測量項目 男（18—60歲） 女（18—55歲） 坐高/mm 858 908 947 958 809 855 891 901 坐姿肘高/mm 228 263 291 298 215 251 277 284 坐姿大腿厚/mm 112 130 146 151 113 130 146 151 坐姿膝高/mm 456 493 523 532 424 458 485 493 小腿加足高長/mm 383 413 439 448 342 382 399 405 坐深/mm 421 457 486 494 401 408 461 469 1.座椅寬度 座椅寬度是指座椅左右之間的距離。設計時要注意座椅的寬度需比人體坐姿時的臀部寬度大，這樣可以使乘坐者自由地調(diào)整坐姿。所以根據(jù)表2.2最終確定座椅寬度為420mm。 2.座椅深度 座椅深度是指座椅前后之間的距離。人體臀圍到大腿全長的3/4大概就是這個深度的大小。綜合上表最后確定為450mm。 3.座椅靠背的高和寬 座椅靠背的高度應該接近于人體坐姿的高度?？勘车膶挾葢摷s等于人體肩寬的大小。經(jīng)查閱資料，最終取靠背高度為700mm，靠背寬度為420mm。 4.座椅靠背傾角 此傾角是指座椅靠背和水平面之間所夾的角度。靠背保持一定的傾斜角度可使乘坐者的脊椎時刻處于放松狀態(tài)，該角度一般為95°~120°。所以最終取100°。 5.扶手尺寸 座椅扶手主要考慮到兩個尺寸，即扶手的高度以及左右扶手的間距?？紤]到人體兩肘之間的寬度以及肘部平放時的高度，參照上表2.2，最后確定扶手的高度取為210mm，左右扶手間的間距取為420mm。 6.腳踏板高度 腳踏板的高度即指其與座椅之間的距離。其位置最好是能使其與大腿保持大于90°的夾角，并且盡量使人體小腿平行于上身。這樣可使腿部時刻處于放松狀態(tài)以及保證腿腳有足夠的活動空間。所以參照表2.2最后確定為420mm。 2.4 星輪爬升機構設計 輪椅的爬樓機構選用星輪輪組結構。星輪輪組結構中小輪數(shù)量越少，結構就越簡單，但是驅動輪組翻越障礙所需的轉矩也越大，在行駛過程中輪椅重心波動的問題也越大，穩(wěn)定性也就越差。但隨著小輪數(shù)量的增加，整個輪組的結構又將變得復雜。因此，經(jīng)過研究分析，最終確定該輪椅的前輪即導向輪采用一個小輪來形成一個輪組機構，后輪一個輪組機構由三個小輪組成。 圖2.2 三星輪機構簡圖 我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》規(guī)定：室內(nèi)樓梯踏步高度不宜大于，并不宜小于；樓梯踏步寬度不宜大于，并不宜小于，計算樓梯的臺階角度在之間，我們一般取來計算；樓梯踏步高與寬的關系要滿足：。輪椅要適應規(guī)定的尺寸范圍，才能夠順利的上下樓梯，即強調(diào)輪椅的適應能力。輪椅車輪應能在最小寬度的臺階上穩(wěn)定的支撐輪椅，并能做一定距離的滾動。根據(jù)這個條件，星輪直徑，所以綜合以上因素選擇星輪直徑為。 在樓梯踏步尺寸最小的情況下，輪椅車攀爬樓梯的難度最大，所以對車輪直徑可行性的驗證以及兩輪中心距的確定均在踏步寬度為，踏步高度為的臺階上進行。星輪機構爬樓狀態(tài)，如圖2.3所示。其中，為星輪架臂長，為星輪半徑，為星輪架臂寬，為星輪中心距，為星輪中心與樓梯邊緣的距離。 （a） 星輪組爬樓示意 （b）星輪示意 （c）星輪架示意 圖2.3 星輪機構爬樓梯示意簡圖 根據(jù)圖2.3，可以得出以下式子： （2—1） （2—2） 取，又由已知條件可知，得到： 同理取時，同上可得： 所以最終在這個范圍中取星輪架臂長。 當輪組結構中兩個星輪相切時，此時星輪半徑為最大，其最大值的計算公式為： （2—3） 代入，得出，所以確定是合理的。 當星輪半徑以及星輪架臂長取一定值時，根據(jù)圖2.3可推導出： （2—4） 代入相關數(shù)值解得，即星輪架臂寬。 結合以上公式(2—1)、(2—2)、(2—3)、(2—4)的計算結果，最終確定星輪的主要參數(shù)為： 2.5 座椅調(diào)平機構的設計 爬樓輪椅在爬樓梯時，由于重心波動導致輪椅座椅是傾斜的，而這則會使乘坐者感到不舒服。所以為了消除這個弊端，我查閱了相關文獻，最終設計了一種滑軌式的座椅調(diào)平機構。其中主要由圓弧形軌道和滾軸組成，其中圓弧形軌道的弧度取120°，軌道焊接在輪椅底部的支架上（位置關系如圖2.4所示）。 圖2.4 滑軌與輪椅座椅位置關系 。在其軸端裝有滾動軸承，使其可以在滑軌中滑動以實現(xiàn)座椅的調(diào)平，具體結構如圖2.5所示。 圖2.5 滾道滑軌式座椅調(diào)平機構圖 軸承選用滾動軸承6204 GB/T 276—1994，以下對滾軸軸端進行校核，主要是校核軸端的彎曲應力及切應力。因為45號鋼的綜合力學性能良好，所以該滾軸材料采用45號鋼并進行調(diào)質處理，取該滾軸軸端直徑，并對其進行校核。受力簡圖如下圖2.6所示： 800N 20cm 20cm A B 400N 400N 圖2.6 滾軸兩軸端受力簡圖 校核滾軸軸端的正應力強度，可得軸端最大彎矩值為： 通過查閱相關資料得知圓形截面的彎曲截面系數(shù)公式為： （2—5） 把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得： 最大正應力的計算公式為： （2—6） 把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得： 校核滾軸軸端的切應力強度，從圖中可知： 通過查閱相關資料得知最大切應力公式為： （2—7） 把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得： 綜上所述，當滾軸軸端直徑時，滾軸軸端的正應力和切應力強度均滿足要求，所以是安全的。 3 電氣系統(tǒng)總體方案設計 根據(jù)平地或爬樓等不同實際環(huán)境下的具體要求，參考國標 GB12996—1991——電動輪椅車標準，確定控制系統(tǒng)的相關參數(shù)。 國標標準中對電動輪椅車的主要技術性能規(guī)定如表所示。 表3.1 電動輪椅國家標準 項目內(nèi)容 性能指標 室內(nèi)型 室外型 速度（km/h） ≤4.5 ≤6.0 爬坡能力 ≥8° ≥8° 一次充電最大行程（km） ≥10 ≥20 參考表3.1確定本輪椅的技術指標如下：平地時最大運行速度為，最大爬樓速度為每分鐘個臺階。該電動輪椅攜帶蓄電池自主供電。 3.1 電機的選擇 3.1.1 電機類型選擇 考慮到電動輪椅的戶外使用條件，我們需要選擇永勵直流電機。該電機根據(jù)有無機械換向裝置可分為有刷直流電機和無刷直流電機。 無刷直流電機具有以下優(yōu)點： 屬于靜態(tài)電機，電機空載時的電流小； （1） 利用電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，其性能優(yōu)良、磨損較小、故障率低； （2） 電機體積較小。 （3） 電機傳動效率相對較高； （4） 但是雖然目前電動輪椅大部分都是采用無刷直流電機作為驅動電機，并且還有很多相應的控制器。但其還有如下缺點： 低速啟動時會有輕微的振動； （1） （2） 電機價格較高，相應的控制器結構復雜，成本也高； （3） 容易形成共振。 變速相對平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動； 而相比于無刷直流電機，有刷直流電機則具有以下優(yōu)點： 升溫慢，可靠性好； （1） 價格比無刷直流電機便宜，控制器結構也簡單。 （2） （3） 基于有刷直流電機的平穩(wěn)可靠性以及低成本，本電動爬樓輪椅最終選用有刷直流電機。同時也要注意碳刷的保養(yǎng)，以及及時更換碳刷。 3.1.2 電機功率計算 爬樓梯電動輪椅的運動形式可分為平地行駛、爬坡運動和爬樓梯三種形式，根據(jù)不同的運動狀況，采用理想狀態(tài)下的假設情況來計算電機所需的功率。 根據(jù)具體設計要求確定該輪椅的具體參數(shù)如下： 輪椅總重量：60kg以下；輪椅承重量：80kg以下； 平地行駛最大速度： 最大爬坡角度：20°；此時最大速度為： 爬樓梯速度： 1. 行走功率計算 取平地運動時的滾動摩擦系數(shù)取0.03，重力加速度g取，則所需的電機功率為： 2.爬坡功率計算 假設爬坡時的最大坡度為20°，爬坡速度為0.3m/s，此時電機的功率為： 3.爬樓功率計算 爬樓梯的動作實際上就是將整體質量往上一級臺階抬升的過程，輪椅在爬樓過程中需要克服車體和人的重力進行做功。經(jīng)初步估計爬樓過程中重力作用線與驅動軸之間的垂直距離，所以計算所需克服的阻力矩為： 驅動輪的角速度為： 爬樓速度最大為，從而確定驅動軸轉速為： 爬樓所需功率為： 綜上所述：三種運動形式中爬坡時的功率最大，為142.8W，所以所選電機的額定總功率應大于142.8W，所以我初步選用額定功率為144W的電機。 3.1.3 電機相關參數(shù) 經(jīng)計算所需扭矩及功率等參數(shù)，又綜合考慮質量價格等諸多因素，最終我選用蘭州萬里航空機電有限責任公司生產(chǎn)的輪椅車專用電機DG—M4，具體相關參數(shù)見下圖及下表。 圖3.2 電機輸出軸的接口尺寸 表3.2 DG—M4電機參數(shù) 電機類型 永磁直流電動機，直流24V 離合器類型 電磁離合器，直流24V 額定電流 6A 空載電流 最大3.3A 最大輸出功率 65R/M時230W 持續(xù)扭矩 1.1Nm/A 最大扭矩 使用40A控制器時44Nm 使用50A控制器時55Nm 離合器制動扭矩 輸出軸，大于50Nm 輸出軸空載轉速 正常120RPM 減速比 i＝32.88 絕緣等級 F 重量 5.5kg 電機殼體顏色 黑色 推薦輪子尺寸 31.75cm (12.5〞) 該電動機構由具有電磁離合器（制動）裝置的永磁電動機和具有一級直齒和一級蝸輪蝸桿副傳動的全封閉變速箱組成。蝸輪蝸桿副傳動對于爬樓裝置來說，可以實現(xiàn)自鎖，這對爬樓這一動作提供了安全保障。通過計算平地行駛電機，爬樓翻轉電機均可以是DG-M4。 3.2 蓄電池選擇 為滿足爬樓電動輪椅的使用要求，本輪椅必須能實現(xiàn)自主供電，所以決定采用蓄電池作為輪椅供電電源。電池的種類根據(jù)使用次數(shù)不同大致上可以分為一次電池和二次電池。一次電池就是指只能使用一次而不可再補充能量的電池；而可以重復補充能量的電池就稱為二次電池。由于爬樓電動輪椅的電池是需要重復使用的以及從環(huán)保的角度來想，所以本次設計決定采用二次電池即蓄電池。二次電池的種類也相當多，其中包括鎳錫電池、鎳氫電池、鋰離子電池等等。 考慮到電池的容量、電壓的大小、使用壽命等因素，本次設計選用鋰離子電池。經(jīng)查閱相關資料，得知鋰離子電池有以下優(yōu)點： （1） 能量密度高，其體積能量密度和質量能量密度分別可達450W.h/和150W.h/kg，而且還在不斷提高； （2） 平均輸出電壓高，為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍； （3） 自放電量小，平均每月少于10％，小于Ni-Cd，Ni-MH的一半； （4） 可以快速的充電和放電，充電容量高達額定容量的80％； （5） 工作溫度范圍寬，-30?+45℃，隨著電解液和正負極的改善，有希望能擴展至，低溫可擴展至； （6） 電池殘留容量檢測更方便；無需維護，使用壽命長，對環(huán)境污染較小。 最終選擇型號GX—M3610—B2的鋰離子電池。其主要參數(shù)如表3.4所示。 表3.4 鋰電池主要參數(shù) 額定電壓 電池容量 最大放電電流 工作溫度 24V 20Ah 10~15A -20℃~55℃ 3.3 控制系統(tǒng)設計 3.3.1 電機驅動原理 電機速度控制系統(tǒng)中常用的方法是速度負反饋法，這種控制方法可以得到良好的調(diào)節(jié)速度性能。在電機控制系統(tǒng)中，檢測電機的轉速通常使用速度傳感器，但其成本相對較高。由于本控制系統(tǒng)的速度控制過程要求不高，所以可以使用電壓負反饋法來估算電機的轉速大小。 電壓負反饋法雖然可以較為精確的控制電機調(diào)速，但其控制系統(tǒng)的動態(tài)性能卻不夠理想。因此，為了得到良好的電機調(diào)速性能，通過查閱資料選取了5個N溝道MOSFET管搭建的H橋電路進行控制，其原理圖如3.3所示，其中，V+、V-分別為電機兩端電壓。電機正常運轉時，將V+、V-電壓值送入單片機，計算后可得出電樞電壓，即。然后通過計算電阻R兩端的電壓差即可計算出電機的轉速大小。 圖3.3 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 從圖中可以看出，當M1、M4、M5導通時，M3、M2關斷，此時電機為正轉即下樓過程；當M2、M3導通時，M1、M4、M5關斷，此時電機反轉即上樓過程。 3.3.2 電機調(diào)速原理 為了更好的控制電機轉速，通過查閱資料我找到了由東莞市杰勝電機有限公司生產(chǎn)的直流調(diào)速器，主要通過改變輸出占空比，從而改變電機轉速。其相關產(chǎn)品信息及參數(shù)見下圖。 產(chǎn)品信息 品名 直流調(diào)速器 型號 JS—30AB 電壓 DC 12V—50V 最大電流 30A 功率 支持0~1.5kW 調(diào)速范圍 0~100% 尺寸 37×83×110mm 該直流調(diào)速器有以下注意事項： （1）直流調(diào)速板調(diào)速器輸入為直流，不能直接連接交流電（如：家用電220V）；（2）直流電源正負極不能接反，否則會損壞調(diào)速器； （3）電動機可以不分正負極，當行駛方向和期望不一致時，可以通過跳線順序改變方向； （4）電位器調(diào)節(jié)旋鈕可通過改變調(diào)速器輸出占空比來改變電機的轉速； 根據(jù)直流電機轉速方程： （5）該調(diào)速器只能用于直流有刷電機的速度控制，不適用于無刷直流電機的轉速控制，也不能作為調(diào)壓器或穩(wěn)壓器使用。 （3—1） 可推導出有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉速： （1） 調(diào)節(jié)電樞電壓； （2） 改變勵磁磁通量； （3） 改變電樞回路電阻。 對于需要在一定范圍內(nèi)無級調(diào)速的系統(tǒng)來說，最好是調(diào)整電壓。改變電樞電阻只能是有級調(diào)速，而勵磁磁通的調(diào)速范圍不大。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的自動控制通常由電壓調(diào)節(jié)為主。 直流調(diào)速器的控制原理是控制原理，是通過改變功率管的通斷時間來改變電機的電樞電壓，然后改變電樞上的占空比來實現(xiàn)電機轉速調(diào)節(jié)。因此，該裝置也稱為“開關驅動裝置”。 的輸出波形如圖3.6所示，周期為，一個周期內(nèi)的導通時間為，則加在電機兩端的平均電壓為： （3—2） 其中，稱為占空比，為電源電壓。 由式可知直流電機的轉速與電機兩端電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，所以控制波形的占空比越大，電機轉速越快。 3.3.3 PLC控制系統(tǒng) 1. 輸入/輸出分配表 表3.6 輪椅平地，爬樓行駛控制的PLC輸入/輸出分配情況 輸入 輸出 輸入繼電器 輸入元件 作用 輸出繼電器 輸出元件 作用 X00 平地啟動按鈕 Y00 平地行駛 X01 爬樓啟動按鈕 Y01 爬樓過程 X02 停止按鈕 2. 硬件接線 圖3.7 PLC的外部硬件接線圖 3. 梯形圖 圖3.8 電動爬樓輪椅電機控制程序梯形圖 按下SB1時，輸入繼電器X00接通，平地行駛電機啟動；按下SB2時，輸入繼電器X01接通，爬樓電機啟動。當遇到平地行駛或爬樓情況時，只需啟動對應的電機即可，兩個電機不能同時工作，它們之間形成互鎖關系。 3.3.4 PLC相關參數(shù) 通過查閱資料，我最終選取了深圳市智力機電設備有限公司生產(chǎn)的可編程控制器FBs—PLC。 該系列的PLC指令超過300種以上，并采用最人性化，可讀性最高之多輸入/多輸出指令格式，一個指令即可達成大部分其它牌PLC數(shù)個指令才能做到的功能，使程式大為精簡，同時運算結果可直接由內(nèi)部或外部輸出取得。 所選擇的PLC相關參數(shù)如下表及下圖所示： 表3.7 FBs—10MA—C的主要參數(shù) 型號 規(guī)格 FBs—10MA—C 6點24VDC數(shù)字輸入(2點高速100KHz,2點中速20KHz,2點中速總和5KHz)；4點繼電器或晶體管輸出（2點高速100KHz,2點中速20KHz）；一個RS232或USB通訊端口（最大可擴至3個）；I/O不可擴充。 4 傳動部件的設計 根據(jù)爬樓梯輪椅的要求，我們應該考慮到爬樓梯輪椅的功能、尺寸、重量、工作環(huán)境條件、成本、工作壽命和性價比等等。 電動爬樓梯輪椅傳動方式的選擇理由如下： （1）充分考慮提高傳動效率，降低能耗，齒輪傳動方式可保證傳動比的恒定；而且其工作壽命長，結構緊湊，傳動效率高。 （2）在爬樓過程中，傳動要求嚴格，輪椅結構要求緊湊，爬樓速度要求較低，所以最終選擇齒輪傳動。 本輪椅采用的是行星輪系的傳動機構,該傳動機構在前進過程中行駛電機1通過中心軸驅動中心輪帶動行星輪轉動從而驅動輪椅前進；通過翻轉電機2帶動行星架實現(xiàn)爬樓梯動作。其傳動機構簡圖如圖4.1所示。 圖4.1 行星輪系傳動機構簡圖 4.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算 由表常用傳動的單級傳動比推薦值可得出： 取該爬樓輪椅翻轉機構的齒輪傳動比 類型 平帶傳動 V帶傳動 圓柱齒輪傳動 圓錐齒輪傳動 蝸桿蝸輪傳動 鏈傳動 推薦值 2~4 2~4 3~6 直齒2~3 10~40 2~5 最大值 5 7 10 直齒6 80 7 表 常用機械傳動的單級傳動比推薦值 1.各軸轉速 假設在爬樓過程中輸出軸為軸，車輪軸為1軸。 2. 各軸輸入功率 按電動機額定功率計算各軸輸入功率，即 其中：為電機與輸出軸間的傳動效率 為圓柱齒輪的傳動效率 3.各軸轉矩 為滾動軸承的傳動效率 4.2 齒輪傳動的設計 1.選擇齒輪的材料，熱處理方式及其精度等級 （1）考慮到爬樓輪椅為一般工作機器，速度不高，故齒輪選用級精度 因為傳遞功率不大，轉速不高，所以選用軟齒面齒輪傳動 （3）小齒輪：號鋼（調(diào)質），硬度為 大齒輪：號鋼（正火），硬度為 2. 按齒面接觸疲勞強度初步計算齒輪齒數(shù) 因為電動爬樓輪椅傳動機構處于封閉狀態(tài)且載荷沖擊不大，所以傳動齒輪選用閉式軟齒面齒輪，故先按齒面接觸疲勞強度進行設計，得出以下公式： （4—1） 式中各參數(shù)選擇如下： （1） 試選載荷系數(shù) （2） 小齒輪的轉矩 （3） 按機械設計課本取齒寬系數(shù) （4） 傳動比 （5） 取， （7）許用接觸應力計算式如下： （6） 對于標準齒輪取2.5，查閱課本得彈性影響系數(shù) （4—2） 由應力循環(huán)次數(shù)公式： 通過查閱課本可知接觸疲勞極限 （4—3） 其中：j=1，為齒輪的工作壽命，取 代入式得： 查閱課本得接觸疲勞壽命系數(shù) 取安全系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式則得： 所以取 根據(jù)以上，把數(shù)據(jù)代入式得： 3. 確定傳動尺寸 （1） 計算圓周速度 所以齒輪選用級精度合適 （2） 計算載荷系數(shù) 由課本可知載荷系數(shù)的計算公式如下： （4—4） 其各系數(shù)如下：使用系數(shù) 動載系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 齒間載荷分布系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式得： 由以下公式： （3） 對進行修正 （4—5） 把數(shù)據(jù)代入式得： （4） 確定模數(shù)m 根據(jù)國標取標準模數(shù) （5） 計算中心距 （6）精算分度圓直徑 （7）計算齒寬 4. 校核齒根彎曲強度 取 根據(jù)以下公式： （4—6） 式中各參數(shù)的計算如下： （1） 值同前 查閱課本可知：齒形系數(shù) 應力校正系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式得： （2）許用彎曲應力計算式如下： （4—7） 通過查閱課本可知：彎曲疲勞極限 彎曲疲勞壽命系數(shù) 為應力修正系數(shù)，按國家標準取為2.0 安全系數(shù) 把以上數(shù)據(jù)代入式（4—7）得： 因為，所以滿足齒根彎曲疲勞強度要求。 綜上所述，根據(jù)GB/T 1357—2008選用M2.5×Z20和M2.5×Z60的標準齒輪作翻轉機構傳動齒輪。 由于行星輪系齒輪的傳動比為1且其在傳動機構中只起傳遞轉矩的作用，所以在此不做設計，考慮到系桿箱空間，最終選用M2×39的標準齒輪。 4.3 傳動軸的設計 4.3.1 輸出軸的設計 1.選擇軸的材料，并查閱資料確定其相關的許用應力系數(shù) 材料選用號鋼，調(diào)質處理 由機械設計課本可知： 2.計算軸的載荷 主動軸傳遞的轉矩為： 作用在齒輪上的力有：圓周力 徑向力 3.初步估算軸的最小直徑 軸向力 經(jīng)查閱機械設計書得出以下計算公式： （4—8） 當選取軸的材料為45號鋼時， 所以把以上數(shù)據(jù)代入式（4—8）得： 考慮到軸上開有鍵槽，軸徑需要增大3%~5%，所以取16mm 4.軸的結構設計 （2）根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑和長度 （1） 擬定軸上零件的裝配方案，軸上的零件包括齒輪，軸承，套筒，端蓋等 ①齒輪段 根據(jù)，軸段Ⅰ與軸段Ⅵ的長度由齒輪的齒寬決定，所以經(jīng)查閱資料最終確定為，。 ②端蓋固定段 考慮到齒輪的裝拆方便，取=17mm,為保證套筒緊靠齒輪左端使齒輪軸向固定，略小于齒輪寬度，所以取=17mm。 ③套筒段 套筒起隔離兩個物體及定位的作用，考慮到齒輪及其它零件的裝拆空間最終取其長度為以及。 ④軸承段 根據(jù)直齒輪無軸向力及，選用深溝球軸承6204 GB/T 276—1994，所以取軸承段=20mm，=14.5mm。 ⑤軸肩段 齒輪右端采用軸肩定位，所以取，。 （3）軸上的齒輪與軸的徑向固定采用平鍵連接，同時為了保證齒輪與軸肩有良好的對中性，采用的配合，滾動軸承與軸的配合為。 （4）定位軸肩的圓角半徑的值，以及軸端倒角取1×45°。 5. 軸承的支反力 根據(jù)軸承支反力的作用點以及軸承和齒輪在軸上的位置建立力學模型 其中經(jīng)查閱資料取 水平面上的支反力： 垂直面上的支反力： 由于選用深溝球軸承，所以 6. 主動軸上齒輪段處的彎矩 水平面上的彎矩： 垂直面上的彎矩： 合成彎矩： 7. 按彎扭合成強度計算來校核軸的強度 當量彎矩計算公式為： （4—9） 其中，把以上數(shù)據(jù)代入式（4—9）得： 而且 通過查閱機械設計課本得知： 所以綜上所述，，此軸是安全的。 4.3.2 車輪軸的設計 1.選擇軸的材料，并查閱資料確定其相關的許用應力系數(shù) 材料選用號鋼，調(diào)質處理 由機械設計課本可知： 2. 計算軸的載荷 從動軸所傳遞的最大扭矩為： 作用在齒輪上的力為：圓周力 徑向力 3.初步估算軸的最小直徑 軸向力 當選取軸的材料為45號鋼時， 所以把以上數(shù)據(jù)代入式（4—8）得： 考慮到軸上開有鍵槽，軸徑需要增大，所以取16mm。 4. 軸的結構設計 （1） 軸上的零件裝配方案，軸上零件包括齒輪、軸承，軸承端蓋等。 （2）根據(jù)要求確定軸的各段直徑和長度。 ①軸承段 這段軸徑由軸承的內(nèi)圈孔來決定，選用深溝球軸承6204 GB/T 276—1994，所以取。軸段長度。 ②軸肩段 齒輪右端用軸肩定位，按設計手冊推薦軸肩比齒輪段直徑大6~10mm，所以取軸肩段直徑，取軸環(huán)寬度。 ③齒輪段 軸段Ⅲ的長度由齒輪的齒寬決定，所以經(jīng)查閱資料最終確定為，。 ④套筒段 套筒起隔離兩個物體及定位的作用，考慮到齒輪及其它零件的裝拆空間最終取其長度為以及。 ⑤軸承端蓋段 這一段起到軸向固定及支撐的作用，所以經(jīng)查閱資料取，。 ⑥車輪接觸段 考慮到車輪的裝拆空間及車輪輪轂孔徑的大小，取，。 （3）軸上的齒輪與軸的徑向固定采用平鍵連接，同時為了保證齒輪與軸肩有良好的對中性，采用的配合，滾動軸承與軸的配合為，三星輪與軸的配合為。 （4）定位軸肩的圓角半徑R的值，以及軸端倒角取1×45°。 .軸承的支反力 其中經(jīng)查閱資料取 水平面上的支反力： 垂直面上的支反力： 由于選用深溝球軸承，所以 水平面上的彎矩： 6. 從動軸上齒輪段處的彎矩 垂直面上的彎矩： 合成彎矩： 7. 作用在軸上的載荷： 8. 校核軸的強度 負載作用在軸承處的彎矩： 把以上數(shù)據(jù)代入式得： 而且 通過查閱機械設計課本得知： 所以綜上所述，，此軸是安全的。 參考文獻 [1]何清華,黃素平,黃志雄. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 機器人技術 與應用,2003,(02):12-16. 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